nspawn.org：简单的 systemd 发行版容器
如果你想要运行一个发行版容器，而又不想被 docker 一类的重量级方案打扰，现在有一个新的简单方案了。
nspawn.org 目前提供了 Arch、CentOS、Debian、Fedora、Ubuntu 的各版本镜像，并可以直接用 systemd-nspawn 的验证机制进行签名验证。
推荐的用法是使用其提供的 “nspawn” 工具。下面以创建一个 Fedora 30 容器为例：
1、获取工具：
$ wget https://raw.githubusercontent.com/nspawn/nspawn/master/nspawn
$ chmod +x nspawn
2、获取 Fedora 30 镜像：
$ sudo ./nspawn init fedora/30/tar
3、启动容器并获取 shell：
$ sudo machinectl start fedora-30-tar
$ sudo machinectl shell fedora-30-tar
Connected to machine fedora-30-tar. Press ^] three times within 1s to exit session.
[root@fedora30 ~]#
一些背景：容器默认的存储路径在 /var/lib/machines/。nspawn.org 的创建者是 shibumi，目前是 Arch Linux Trusted User。所有的镜像使用 mkosi 制作，定义文件均在 GitHub 上。除了 nspawn 容器镜像，这个站点还提供可引导的 GPT-UEFI 镜像。
如果你想要运行一个发行版容器，而又不想被 docker 一类的重量级方案打扰，现在有一个新的简单方案了。
nspawn.org 目前提供了 Arch、CentOS、Debian、Fedora、Ubuntu 的各版本镜像，并可以直接用 systemd-nspawn 的验证机制进行签名验证。
推荐的用法是使用其提供的 “nspawn” 工具。下面以创建一个 Fedora 30 容器为例：
1、获取工具：
$ wget https://raw.githubusercontent.com/nspawn/nspawn/master/nspawn
$ chmod +x nspawn
2、获取 Fedora 30 镜像：
$ sudo ./nspawn init fedora/30/tar
3、启动容器并获取 shell：
$ sudo machinectl start fedora-30-tar
$ sudo machinectl shell fedora-30-tar
Connected to machine fedora-30-tar. Press ^] three times within 1s to exit session.
[root@fedora30 ~]#
一些背景：容器默认的存储路径在 /var/lib/machines/。nspawn.org 的创建者是 shibumi，目前是 Arch Linux Trusted User。所有的镜像使用 mkosi 制作，定义文件均在 GitHub 上。除了 nspawn 容器镜像，这个站点还提供可引导的 GPT-UEFI 镜像。
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systemd-nspawn 踩坑记
最近把自己的网络服务都迁移到了一台新的服务器，尝试了全新的部署方式（
systemd-nspawn），正好踩中了一些坑，所以随便写写记录一下，也算是重新开始做起博客这件事情了吧。What & Why
以前我使用的是一台在
online.net 捡来的特价独服，因为只有一个人使用，所以我直接在主机上开了很多个 KVM 虚拟机，使用（几乎是）一个服务一个虚拟机的方式来部署自己的服务。这在一个人使用的时候确实没有什么太大的问题，唯一的问题可能就是因为自己懒，而虚拟机的数量太多，所以经常忘记更新 / 维护那些虚拟机。
而这次则是捡特价弄了一台特别划算的
E5-2680v2 的独服（购买的时候下单的是 E5-2660v1，但是不知道是商家特别有钱还是那天机房小哥心情好，给弄了一台 E5-2680v2），几个人合用一台。因为是合用，所以大家各自开了一个 KVM 虚拟机，各自隔离。这时候，我就不能再使用虚拟机的方式来隔离自己的服务了，因为我本身已经被隔离在了一个虚拟机里，双重虚拟机可从来都不是什么好主意。
所以我转向了容器方案。其中，卖底裤粉丝（雾），而且自带
Docker 不太适合我的情况 —— 我并不是希望把所有服务都做成不可变的镜像然后到处部署，我的目的仅仅是简单的隔离（看起来整洁 / 给有些傲娇的应用提供最适合的环境）。因此，我转向了 systemd-nspawn，毕竟我是 Systemd 的Systemd 的 ArchLinux 在安装完成后就自带这个东西。
于是，我成功开始了踩坑之旅。（大量
dirty fix 预警）非特权用户 (Private Users)
按照 ArchWiki 上的说明，使用各个发行版的 bootstrap 工具在
/var/lib/machines 下创建目录并部署系统是一个很快的工作。然而，当我部署成功并尝试启动容器的时候，我却根本看不到任何反应，无论 machinectl status 还是 systemctl status 都没法给出任何有用的信息。
再次查看
/var/lib/machines 下我部署的目录的时候，发现里面文件的权限全部被修改成了奇怪的 UID 和 GID 值。从 ArchWiki 上的描述来看，这似乎是启用了 Private Users 的正常现象。然而，死马当活马医，我尝试在 /etc/systemd/nspawn/myContainer.nspawn (myContainer 是我的容器的名字) 里面加入了[Exec]
PrivateUsers=no
然后容器就神奇般地可以启动了。不过这样启动以后，尝试访问容器的时候，会发现里面的程序一定会报一大堆权限问题 —— 因为之前已经用 Private User 起过容器。所以，我的做法是，直接重新部署一遍……
然而这个问题并没有被彻底解决，我到现在也不能理解为什么使用 Private User 会导致无法启动，而且
systemd-nspawn 完全没有给我任何有用的错误信息。更奇怪的是，我直接用命令行的 systemd-nspawn 去启动容器是完全正常的，而使用 systemd-nspawn@.service 就必须关掉 Private Users 才能正常使用。鉴于我的使用场景并不需要多么严格的安全策略（另一方面，Linux 下的容器这个概念本身也不是用来做安全的），我暂时并没有去处理这个问题。所以，这算是一个 dirty fix 吧。无法访问容器的 TTY
容器起来了，我遇到的第二个问题就是无法访问容器的 TTY。
尝试执行
machinectl login myContainer, 直接给我扔了一个 protocol error 出来。在 Google 上找了很久也没有找到任何一个人遇到类似的问题。最多只有进入了容器的登录界面却无法登录的问题，而遇到那种问题的人至少已经获得了容器的一个 Login Shell, 而我则是什么都没有……
是的，这个问题我也完全不知道怎么解决。当时我折腾了很久，然后怀疑是一个临时性的 bug —— 毕竟 ArchLinux 喜欢 break 东西。所以我决定作为一个临时的解决方案，先手动使用
systemd-nspawn 命令启动容器进去，配置好 openssh，然后用 machinectl 启动容器，并在外面直接使用 ssh 访问容器内部的 shell。是的，你没有看错，直接在 /var/lib/machines 使用 systemd-nspawn -b -D myContainer 命令启动容器是完全可以访问容器内的 shell 的，而从外面使用 machinectl login 或者 machinectl shell 就是不行的……
而当我下笔写这篇博客的时候，我尝试再次复现这个错误，却发现现在已经完全正常了，使用
machinectl login 可以获取到容器的正常的 Login Shell... 天知道把我折腾的要死要活的那个问题是怎么回事…… 而且从出现那个问题到现在我并没有更新服务器上的任何软件，也没有针对这个问题做任何处理…… 而当时我重启了不知道多少遍都完全没有作用。
假如你遇到这个问题，也许你坐和放宽一下，就好了。
容器内的内核模块问题 (OverlayFS / ip6tables / FUSE ...)
遇到这种问题其实觉得自己很智障，但是还是要花几句话说一次，容器内是没有办法加载内核模块的，而 Linux 启动的时候默认很多模块都没有加载。那些模块正常情况下会被使用它们的程序自动加载，但是在容器里这是不行的。所以如果你在使用程序的时候遇到这种问题，请记住在主机里加载它需要的模块后再试 （推荐加入
/etc/modules-load.d/ 自动载入）Systemd-nspawn 内运行 Docker
这个需求看起来很无厘头，但是我觉得我的使用场景是有道理的。我有一个
Mastodon 节点，这个东西是主要使用 Ruby on Rails 编写但同时有很多其他依赖的东西。在以前的机器上，我是使用 docker-compose 通过容器的组合在一个虚拟机里直接部署上这一系列依赖。而现在我需要迁移到我的新独服上，我不能使用虚拟机，也不想自找麻烦手动部署，也不想让 Docker 产生的一大堆网络接口之类的东西挂在主机的 namespace 里。总而言之，因为这种 Ruby on Rails 程序是好多个大怪兽，虽然各自有笼子，但是因为数量比较多，分散放置还是感觉很凌乱，所以我想进一步把它们的笼子也都关进一个动物园里统一管理。
但是问题来了，
systemd-nspawn 似乎并不支持在它内部再启动 Docker 容器。尝试使用 Docker 容器会直接带来 Operation not permitted 异常。从 https://github.com/opencontainers/runc/issues/1456 了解到，Docker 依赖了 cgroups 功能，并且需要比较高的权限，而在默认情况下，systemd-nspawn 是隔离了 cgroup 命名空间的，而且也没有给予不必要的权限。所以，作为测试，我在 /etc/systemd/nspawn/myContainer.nspawn 里加入了[Exec]
Capability=all
[Files]
Bind=/sys/fs/cgroup
这在事实上把主机的
cgroup 命名空间共享给了容器里的系统，并给予了所有可以给予的 Capabilities。同时，还需要关闭 systemd-nspawn 的 cgroup 隔离功能，只需要 systemctl edit systemd-nspawn@myContainer[Service]
Environment=SYSTEMD_NSPAWN_USE_CGNS=0
到了这一步，我期望
Docker 已经可以使用了，但是很不幸的是，并不能。这回出现的是一个莫名奇妙的 session key 无法创建的异常。这次这个异常我就完全没有看懂了……
还好，经过一番 Google，我了解到这其实是因为
Docker 在尝试使用 kernel keyring，而这个功能是不支持(ref: https://github.com/moby/moby/issues/10939)命名空间隔离的。所以，为了安全，systemd-nspawn 默认把与此相关的系统调用都过滤掉了，不允许内部的系统调用。因此，只需要开启这两个系统调用的权限（在 /etc/systemd/nspawn/myContainer.nspawn 的 [Exec] 段中加入）SystemCallFilter=add_key keyctl
然后重启
nspawn 容器即可使用 Docker。
在
Docker 正常运行之后，我发现一个问题，那就是它在使用非常慢、非常不科学的 vfs 作为存储后端。根据文档，这个存储后端会对每个 layer 都创建一个拷贝。于是我想起来了遇到的上一个问题 —— 主机没有加载 OverlayFS 的内核模块，因此默认的 overlay2 存储后端加载失败了。尝试在主机上加载 overlay 模块，然后重新启动容器里的 Docker，发现 overlay2 存储后端果然已经在正确运行了。
以上文档我已经写入
ArchWiki 上的对应章节, 因为我发现我在整个网络上都找不到关于这件事情的文档，有的只是一段 Twitter 对话，而且他们其实还并没有解决这个问题……希望我并不是唯一一个有这种奇葩需求的人吧。
当然，这么做以后，这个
nspawn 容器就成为了名副其实的特权容器，拥有很多很多高权限操作的能力。考虑到我的本意仅仅是出于洁癖一般的理由，这个问题我觉得并不是非常大……总之，给大家一个参考。容器内使用 FUSE
FUSE 是指用户态文件系统，比如 sshfs, ntfs-3g 等。想要直接在 systemd-nspawn 容器里使用它们是会直接失败的。当然，这个解决办法很简单，因为这仅仅是因为容器里没有 /dev/fuse。
首先要确保主机上加载了
fuse 内核模块。然后，你需要在 /etc/systemd/nspawn/myContainer.nspawn 加入[Exec]
Capability=CAP_MKNOD
DeviceAllow=/dev/fuse rwm
（注：如果你前面已经
Capability 设为 all 了，那就不用再单独设置一次 CAP_MKNOD 了）
然后在容器里执行
mknod /dev/fuse c 10 229
即可。
其他：网络配置
网络配置这算是一点附加说明，就是如果你想要给容器使用静态 IP，或者你想给容器使用 IPv6，你需要首先在
/etc/systemd/nspawn/myContainer.nspawn 里给容器增加一个网络接口[Network]
VirtualEthernetExtra=name_on_host:name_in_container
然后分别在主机和容器里配置对应的网络接口即可。
当然，你可能也需要
[Network]
Private=true
VirtualEthernet=true
虽然这些应该是默认的。
结论
Systemd 坑很多，而且很玄学.-------------------------------------------------------------------
systemd-nspawn搭建容器
作为一个 systemd 重度使用者，经常用 docker 容器进行一些本地测试或搭建一个开发环境， 因为 systemd 提供了 systemd-nspawn 来模拟 chroot，无疑它也是可以用来构建容器的， 所以就摸索了一番，总结如下。
什么是 systemd-nspawn？
systemd-nspawn 很像 chroot 命令，但是更为强大， 它可以全面虚拟化整个文件系统、进程树、各种各样的 IPC 子系统以及主机名和域名。 它可以用来在一个轻量级的容器内运行一个命令或操作系统。
由于是基于 systemd init 系统，所以它也可以利用现有的 systemd 各种组件命令。
构建一个最小的 Archlinux 容器
因为我本机是 Archlinux，所以就以构建 Archlinux 容器为例了，首先创建一个容器的顶层文件夹：
mkdir -p ~/Containers/arch
利用 pacstrap 将 Archlinux 基本系统安装进容器文件夹：
pacstrap -c -d ~/Containers/arch base
因为容器和宿主机可以共享 linux 内核，所以初始化容器文件夹可以忽略 linux 包：
# pacstrap -i -c -d ~/Containers/arch base --ignore linux
==> Creating install root at arch
==> Installing packages to arch
:: Synchronizing package databases...
core 120.1 KiB 619K/s 00:00 [######################################] 100%
extra 1755.6 KiB 1600K/s 00:01 [######################################] 100%
community 3.6 MiB 2.90M/s 00:01 [######################################] 100%
:: linux is in IgnorePkg/IgnoreGroup. Install anyway? [Y/n] n
其中 -i 选项避免自动确认。
这样一个 Archlinux 容器就构建成功了，你可以通过 systemd-nspawn 命令开启容器：
systemd-nspawn -b -D ~/Containers/arch -n
容器启动后，可以用 root 用户名登陆，无须密码，进入容器系统后，你就可以搭建自己的容器环境了。
当然，你也可以很容易的构建一个 debian 或 fedora 容器，网上有许多构建方法，这里不再讲解。
machinectl
systemd-nspawn 开启的容器被称为 machine，可以利用 systemd 中的 machinectl 命令进行各种容器操作。
machinectl 命令默认会到 /var/lib/machines、/usr/local/lib/machines/ 和 /usr/lib/machines/ 目录搜索容器。
为了可以用 machinectl 命令，我们将上面的容器文件夹移动到 /var/lib/machines/arch 文件夹下：
mv ~/Containers/arch /var/lib/machines/arch
因为 archlinux 中 pam_security 的控制，machinectl 命令是不能 root 登陆的，为了解决这个问题，需要在容器里修改文件
/etc/securetty，添加 pts/0。
这样我们就可以用 machinectl 来控制我们的 arch 容器了。
开启 arch 容器：
machinectl start arch
登录 arch 容器：
machinectl login arch
运行 arch 容器命令：
machinectl shell arch /usr/bin/pwd
关闭 arch 容器：
machinectl poweroff arch
machinectl 其他一些命令：
machinectl reboot container_name
machinectl terminate container_name
machinectl kill container_name
machinectl list
machinectl status container_name
machinectl show container_name
machinectl enable container_name
machinectl disable container_name
machinectl bind container_name PATH [PATH]
machinectl copy-to container_name PATH [PATH]
machinectl copy-from container_name PATH [PATH]
machinectl 也有很多与容器 image 相关的命令，这里不再介绍。
与其他 systemd 组件配合使用
systemd 系列组件大多都有一个 -M 选项，此选项就是用来指定容器，容器搜索路径与 machinectl 一样。
我们可以这样用 systemd-nspawn 来开启容器：
systemd-nspawn -M container_name
查看容器日志：
journalctl -M container_name
查看容器进程控制组内容：
systemd-cgls -M container_name
分析容器启动过程：
systemd-analyze -M container_name
开机自启动指定容器
systemctl enable systemd-nspawn@container_name.service
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